JPWO2006103853A1 - Semiconductor device using titanium dioxide as active layer and method for manufacturing the same - Google Patents

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秀臣 鯉沼
松本 祐司
祐司 松本
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Abstract

【課題】 二酸化チタンを活性層として用いる半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】 本発明の半導体装置10は、TiO2を活性層として含んでいる。本発明の半導体装置10は、ゲート電極20と、半導体活性層として機能し、チャネルを形成するTiO2層12と、TiO2層12に電気的に接続された、ソース電極14およびドレイン電極16と、ゲート電極20とTiO2層12との間に形成された絶縁膜18とを含んでいる。TiO2層12は、ステップ−テラス構造を有するルチルまたはアナターゼ構造を含む単結晶基板とすることができる。また、TiO2層12は、TiO2の気相堆積膜とすることができる。さらに、本発明は、TiO2を活性層として含む半導体装置の製造方法を提供する。【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device using titanium dioxide as an active layer and a manufacturing method thereof. A semiconductor device of the present invention includes TiO2 as an active layer. The semiconductor device 10 of the present invention includes a gate electrode 20, a TiO2 layer 12 that functions as a semiconductor active layer and forms a channel, a source electrode 14 and a drain electrode 16 that are electrically connected to the TiO2 layer 12, a gate, An insulating film 18 formed between the electrode 20 and the TiO 2 layer 12 is included. The TiO 2 layer 12 can be a single crystal substrate including a rutile or anatase structure having a step-terrace structure. The TiO 2 layer 12 can be a vapor deposition film of TiO 2. Furthermore, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device including TiO 2 as an active layer. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体装置に関し、より詳細には、活性層として二酸化チタン(TiO)を使用した半導体装置、およびその製造方法に関する。The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device using titanium dioxide (TiO 2 ) as an active layer and a method for manufacturing the same.

近年、電界効果型の半導体装置は、情報処理装置の論理演算装置の他、アクティブ・マトリックス型アレイを構成して、ディスプレイ装置を提供するために使用されている。これまで、電界効果型の半導体装置の活性層としては、アモルファス・シリコン、単結晶シリコン、酸化亜鉛(ZnO)などの半導体活性を有する材料が知られている。アモルファス・シリコン、単結晶シリコン、ZnOといった半導体材料は、電圧の他にも所定の波長の光を吸収してフォトキャリアを生成する特性を有しており、このため、良好な電界効果特性を与えるためには、遮光膜を形成して、活性層を光学的にシールドする必要があった。   2. Description of the Related Art In recent years, field effect type semiconductor devices have been used to provide a display device by configuring an active matrix type array in addition to a logical operation device of an information processing device. Conventionally, materials having semiconductor activity such as amorphous silicon, single crystal silicon, and zinc oxide (ZnO) are known as active layers of field effect semiconductor devices. Semiconductor materials such as amorphous silicon, single crystal silicon, and ZnO have a property of generating photocarriers by absorbing light of a predetermined wavelength in addition to a voltage, and thus provide good field effect characteristics. For this purpose, it is necessary to form a light shielding film and optically shield the active layer.

半導体装置を提供するためには、活性層中のキャリアのモビリティは、必ずしもZnO程度の高いモビリティではなくとも充分に機能すると考えられる。また、上述したアモルファス・シリコンや単結晶シリコン、ZnOなどは、種々の堆積法により活性層として形成されるが、そのフォトキャリアを抑制するために遮光膜の形成が要求される点で、製造プロセスを増加させてしまう点、および大面積化の容易さ、および重金属を使用することによる環境的負荷の面では、製造性、コスト、大面積適応性および環境的観点から見て必ずしも充分なものであるということはできない。   In order to provide a semiconductor device, the mobility of carriers in the active layer is considered to function sufficiently even if the mobility is not necessarily as high as that of ZnO. The above-described amorphous silicon, single crystal silicon, ZnO, and the like are formed as active layers by various deposition methods. However, a manufacturing process is required in that a light-shielding film is required to suppress the photocarriers. In terms of increasing the area, the ease of increasing the area, and the environmental burden due to the use of heavy metals, it is not always sufficient from the viewpoint of manufacturability, cost, large area adaptability, and the environmental viewpoint. There is no such thing.

一方、二酸化チタン(TiO)は、重金属を含まず、環境的な負荷も大きくなく、さらに近年、その光触媒特性を利用して、建材など大面積な部材に対して適用されている。また、TiOは、光キャリアを発生することが知られているものの、TiOの光キャリア発生効率は、シリコンやZnOなどよりも低く、TiOを電界効果型半導体装置の活性層として使用することができれば、大面積の電界効果型の半導体を含む新規なガラス、パネルなどの表示可能な構造部材や、大面積ディスプレイを提供することが可能となると考えられる。加えて、TiOを使用した電界効果型の半導体装置は、遮光層を形成せずとも良好に機能することが期待でき、製造プロセスの削減に共ない、低コスト化および光透過性の向上した構造部材を提供することが可能になると考えられる。On the other hand, titanium dioxide (TiO 2 ) does not contain heavy metals and does not have a large environmental load. In recent years, titanium dioxide (TiO 2 ) has been applied to large-area members such as building materials using its photocatalytic properties. Although TiO 2 is known to generate optical carriers, TiO 2 has lower optical carrier generation efficiency than silicon, ZnO, and the like, and TiO 2 is used as an active layer of a field effect semiconductor device. If possible, it will be possible to provide a displayable structural member such as a novel glass or panel containing a large-area field-effect semiconductor, or a large-area display. In addition, the field effect semiconductor device using TiO 2 can be expected to function well without forming a light-shielding layer. It will be possible to provide structural members.

本発明者らは、これまでTiOの製膜および特性の検討を行ってきており、例えば特開2004−288767号公報(特許文献1)において、TiOの単結晶基板の原子レベルでの表面制御技術を開示している。一方、TiOを光触媒として使用することについては多くの検討がなされているものの、TiOの半導体特性を、電界効果型の半導体装置の活性層に適用する可能性については、これまでほとんど検討が行われていなかった。また、特開2002−198539号公報(特許文献2)では、有機無機混成半導体を用いた薄膜電界効果トランジスタが開示されている。特許文献2では、有機無機混成半導体を、スズを含む有機金属化合物から形成する点について開示し、またTiOをゲート絶縁体に使用する点が開示されているものの、TiO自体を半導体として使用する点については何ら開示していない。
特開2004−288767号公報 特開2002−198539号公報
The inventors of the present invention have so far studied the film formation and characteristics of TiO 2. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-288767 (Patent Document 1), the surface at the atomic level of a single crystal substrate of TiO 2 A control technique is disclosed. On the other hand, although many studies have been made on the use of TiO 2 as a photocatalyst, the possibility of applying the semiconductor characteristics of TiO 2 to the active layer of a field effect type semiconductor device has been mostly studied so far. It was not done. Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-198539 (Patent Document 2) discloses a thin film field effect transistor using an organic-inorganic hybrid semiconductor. Patent Document 2 discloses that an organic-inorganic hybrid semiconductor is formed from an organometallic compound containing tin, and discloses that TiO 2 is used as a gate insulator, but TiO 2 itself is used as a semiconductor. There is no disclosure of the points to do.
JP 2004-288767 A JP 2002-198539 A

本発明は、上記の従来技術に鑑みてなされたものであり、TiOを活性層として含む電界効果型の半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above prior art, and an object of the present invention is to provide a field effect semiconductor device including TiO 2 as an active layer and a method for manufacturing the same.

上記従来技術に鑑みて、本発明者らはTiOの半導体活性に着目し、チャネルを形成する活性層としてTiOを使用して、電界により電気特性を制御することができれば、より大面積で、より光学特性の良好な構造要素を、より低コストで提供することができる、という着想に基づき検討を行ってきた。その結果、本発明者らは、TiOの半導体特性は、TiOの表面性に大きく依存することを見出し、TiOの表面性を原子レベルで制御することにより、TiOのキャリア濃度を電界により制御することが可能であることを見出し、本発明に至ったものである。さらに、TiOを活性層として使用した半導体装置の特性は、絶縁層に大きく依存し、絶縁層の組成に応答して特性を制御することができることを見出し、本発明に至ったものである。In view of the above prior art, the present inventors have focused on the TiO 2 semiconductor active, using TiO 2 as an active layer forming a channel, if it is possible to control the electrical characteristics by the electric field, in larger area Therefore, investigations have been made based on the idea that structural elements with better optical properties can be provided at a lower cost. As a result, the present inventors have found that semiconductor properties of the TiO 2 is found to depend largely on the surface of the TiO 2, by controlling the surface properties of TiO 2 at the atomic level, the electric field of the carrier concentration of TiO 2 Thus, the present invention has been found out that control is possible. Furthermore, the inventors have found that the characteristics of a semiconductor device using TiO 2 as an active layer largely depend on the insulating layer, and that the characteristics can be controlled in response to the composition of the insulating layer, leading to the present invention.

すなわち、本発明の第1の構成によれば、
TiOを活性層として含む電界効果型の半導体装置であって、前記半導体装置は、
ゲート電極と、
チャネルを形成するTiO層と、
前記TiO層に電気的に接続された、ソース電極およびドレイン電極と、
前記ゲート電極と前記TiO層との間に形成された絶縁膜と
を含む半導体装置が提供できる。
That is, according to the first configuration of the present invention,
A field effect semiconductor device containing TiO 2 as an active layer, wherein the semiconductor device is
A gate electrode;
A TiO 2 layer forming a channel;
A source electrode and a drain electrode electrically connected to the TiO 2 layer;
A semiconductor device including an insulating film formed between the gate electrode and the TiO 2 layer can be provided.

また、本発明によれば、前記TiO層は、ステップ−テラス構造を有するルチルまたはアナターゼ構造、または超平滑な表面を有するルチルまたはアナターゼ構造を含むことが好ましい。前記TiO層は、TiOの気相堆積膜とすることができる。また、本発明の前記ゲート絶縁膜は、酸素含有比の異なる複数の酸化物層から形成され、酸素含有比の低い酸化物層が、前記TiO層に隣接して形成されてもよい。According to the present invention, the TiO 2 layer preferably includes a rutile or anatase structure having a step-terrace structure, or a rutile or anatase structure having an ultra-smooth surface. The TiO 2 layer may be a TiO 2 vapor deposition film. The gate insulating film of the present invention may be formed of a plurality of oxide layers having different oxygen content ratios, and an oxide layer having a low oxygen content ratio may be formed adjacent to the TiO 2 layer.

本発明の第2の構成によれば、
TiOを活性層として含む電界効果型の半導体装置の製造方法であって、
TiOを含む半導体層に表面処理を施す工程と、
前記表面処理された前記半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記半導体層上に絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と
を含む半導体装置の製造方法が提供できる。
According to the second configuration of the present invention,
A method of manufacturing a field effect semiconductor device including TiO 2 as an active layer,
Applying a surface treatment to the semiconductor layer containing TiO 2 ;
Forming a source electrode and a drain electrode electrically connected to the surface-treated semiconductor layer;
Forming an insulating film on the semiconductor layer;
And a step of forming a gate electrode on the insulating film.

本発明においては、前記絶縁膜は、酸素含有比の異なる複数の酸化物層を含み、前記絶縁膜を成膜する工程は、酸素含有比の低い酸化物層を前記半導体層に接して形成する工程を含むことができる。本発明においては、前記表面処理を施す工程は、前記半導体層に、ステップ−テラス構造を与える工程を含むことが好ましい。   In the present invention, the insulating film includes a plurality of oxide layers having different oxygen content ratios, and the step of forming the insulating film forms an oxide layer having a low oxygen content ratio in contact with the semiconductor layer. Steps may be included. In the present invention, it is preferable that the step of performing the surface treatment includes a step of providing a step-terrace structure to the semiconductor layer.

本発明の第3の構成によれば、
TiOを活性層として含む電界効果型の半導体装置の製造方法であって、
基板上にTiOを含む半導体層を堆積させる工程と、
前記半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記半導体層上に絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と
を含む半導体装置の製造方法が提供できる。
According to the third configuration of the present invention,
A method of manufacturing a field effect semiconductor device including TiO 2 as an active layer,
Depositing a semiconductor layer containing TiO 2 on the substrate;
Forming a source electrode and a drain electrode electrically connected to the semiconductor layer;
Forming an insulating film on the semiconductor layer;
And a step of forming a gate electrode on the insulating film.

本発明においては、前記絶縁膜は、酸素含有比の異なる複数の酸化物層を含み、前記絶縁膜を成膜する工程は、酸素含有比の低い酸化物層を前記半導体層に接して形成する工程を含むことができる。   In the present invention, the insulating film includes a plurality of oxide layers having different oxygen content ratios, and the step of forming the insulating film forms an oxide layer having a low oxygen content ratio in contact with the semiconductor layer. Steps may be included.

本発明の第4の構成によれば、
TiOを活性層として含む電界効果型の半導体装置の製造方法であって、
誘電体基板上に前記ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と
前記ソース電極および前記ドレイン電極に電気的に接続したTiOを含む半導体層を成膜する工程と、
前記半導体層に接してゲート絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と
を含む半導体装置の製造方法が提供できる。
According to the fourth configuration of the present invention,
A method of manufacturing a field effect semiconductor device including TiO 2 as an active layer,
Forming a source electrode and a drain electrode on a dielectric substrate; forming a semiconductor layer containing TiO 2 electrically connected to the source electrode and the drain electrode;
Forming a gate insulating film in contact with the semiconductor layer;
And a step of forming a gate electrode on the insulating film.

また、本発明によれば、上記製方法における成膜工程は、の前記TiOを含む半導体層を成膜する工程は、間歇的に酸素分圧を変化させる工程を含むことができる。前記間歇的に酸素分圧を変化させる工程内の酸素分圧が低い条件下でTiOの堆積を行う工程と、前記間歇的に酸素分圧を変化させる工程内の酸素分圧が高い条件下で堆積したTiOをアニールする工程とを含むことができる。According to the present invention, the film forming step in the manufacturing method may include a step of intermittently changing the oxygen partial pressure in the step of forming the semiconductor layer containing TiO 2 . The step of depositing TiO 2 under the condition of low oxygen partial pressure in the step of intermittently changing the oxygen partial pressure, and the condition of high oxygen partial pressure in the step of intermittently changing the oxygen partial pressure Annealing the deposited TiO 2 .

以下、本発明を図面に示した実施の形態を参照して説明を行うが、本発明は、後述する実施の形態に限定されるものではない。図1は、本発明の半導体装置の第1の実施の形態の構造を示した図である。図1(a)は、断面図であり、図1(b)は、上面図である。図1(a)の断面は、図1(b)の切断線A−Aに沿って半導体装置を切断した断面構造に対応する。本発明の第1の実施の形態の半導体装置10は、基板12と、基板12上に形成されたソース電極14と、ドレイン電極16と、ソース電極14およびドレイン電極16上に形成されたゲート絶縁膜18と、ゲート絶縁膜18上に形成されたゲート電極20とを含んでいる。基板12は、TiO層を提供しており、本発明の第1の実施の形態では、具体的には、TiO単結晶基板が使用される。単結晶基板は、ルチル型結晶構造を有し、その結晶面が(110)のものを使用することができる。Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments shown in the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments described below. FIG. 1 is a diagram showing the structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view, and FIG. 1B is a top view. The cross section in FIG. 1A corresponds to the cross sectional structure in which the semiconductor device is cut along the cutting line AA in FIG. The semiconductor device 10 according to the first embodiment of the present invention includes a substrate 12, a source electrode 14 formed on the substrate 12, a drain electrode 16, and a gate insulation formed on the source electrode 14 and the drain electrode 16. A film 18 and a gate electrode 20 formed on the gate insulating film 18 are included. The substrate 12 provides a TiO 2 layer. Specifically, in the first embodiment of the present invention, a TiO 2 single crystal substrate is used. A single crystal substrate having a rutile crystal structure and having a crystal plane of (110) can be used.

結晶面は、(110)の他にも(100)、(001)、(111)、または(101)を使用することができ、特定の結晶面に限定されるものではない。また、本発明では、市販の単結晶基板を使用する場合には、市販の単結晶基板をエッチャントにより処理して表面状態を改善して使用することが必要である。本発明で使用することができるエッチャントとしては、フッ化水素酸、希釈フッ化水素酸溶液、フッ化水素酸−燐酸−硝酸混合溶液など、TiOをエッチングすることができるエッチャントであれば、これまで知られたいかなるエッチャントでも使用することができる。In addition to (110), (100), (001), (111), or (101) can be used as the crystal plane, and the crystal plane is not limited to a specific crystal plane. In the present invention, when a commercially available single crystal substrate is used, it is necessary to use a commercially available single crystal substrate with an improved surface state by treating it with an etchant. As an etchant that can be used in the present invention, any etchant capable of etching TiO 2 such as hydrofluoric acid, diluted hydrofluoric acid solution, and hydrofluoric acid-phosphoric acid-nitric acid mixed solution may be used. Any etchant known up to can be used.

ソース電極14およびドレイン電極16は、フォトリソグラフィーや適切なマスクを使用した蒸着、スパッタリング、レーザアブレーションなどの物理堆積法を使用して形成でき、電極材料としては、Al、W、Ti、Ni、Moまたはこれらのいかなる合金を使用することができる。また、ソース電極14およびドレイン電極16の膜厚は、10nm〜20nmの範囲とすることが好ましく、図1に示した第1の実施の形態では、約15nmの厚さを有しているが、本発明では特に限定されるわけではなく、適切な接続を与える限り、いかなる厚さも使用することができる。図1に示した本発明の第1の実施の形態では、ソース電極14、ドレイン電極16と隣接する基板12および後述するゲート絶縁膜18との間には、特にオーミンクコンタクトを達成するためのオーミックコンタクト層は形成されていないものの、特定の電極材料との関係において、本発明においては、オーミックコンタクト層を適宜使用することができる。   The source electrode 14 and the drain electrode 16 can be formed by using physical deposition methods such as photolithography, vapor deposition using an appropriate mask, sputtering, and laser ablation. As electrode materials, Al, W, Ti, Ni, Mo Or any of these alloys can be used. The film thicknesses of the source electrode 14 and the drain electrode 16 are preferably in the range of 10 nm to 20 nm. In the first embodiment shown in FIG. The present invention is not particularly limited and any thickness can be used as long as it provides an appropriate connection. In the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, particularly for achieving ohmic contact between the source electrode 14 and the drain electrode 16 and the substrate 12 adjacent to the source electrode 14 and the gate insulating film 18 described later. Although the ohmic contact layer is not formed, the ohmic contact layer can be appropriately used in the present invention in relation to a specific electrode material.

ソース電極14およびドレイン16上には、ゲート絶縁膜18が形成されており、本発明の第1の実施の形態では、アモルファスLaAlOをパルスレーザ・デポジッション(PLD)法により堆積させた膜が使用されている。本発明で使用されるゲート絶縁膜18を形成する材料としては、酸化マグネシウム(MgO)、窒化ケイ素、LaAlO、五酸化タンタル、三酸化イットリウム、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、三酸化二ホウ素、酸化ベリリウム、酸化バリウムまたはこれらの混合物を使用することができ、また堆積方法としては、レーザアブレーション法の他、CVD法、スパッタ法も使用することができる。図1に示した第1の実施の形態では、ゲート絶縁膜18の膜厚は、約450nmの厚さで形成されているが、本発明ではゲート絶縁膜の膜厚は、約200nm〜約1000nmの範囲、より好ましくは、約300nm〜約900nmの範囲で設定することができる。さらに本発明では、ゲート絶縁膜の厚さは、使用する誘電体材料およびデバイス特性に応じて、例えば50nm〜10μm程度の範囲で変化させることができる。A gate insulating film 18 is formed on the source electrode 14 and the drain 16. In the first embodiment of the present invention, a film in which amorphous LaAlO 3 is deposited by a pulse laser deposition (PLD) method is formed. in use. As a material for forming the gate insulating film 18 used in the present invention, magnesium oxide (MgO), silicon nitride, LaAlO 3 , tantalum pentoxide, yttrium trioxide, silicon dioxide, aluminum oxide, calcium oxide, diboron trioxide. , Beryllium oxide, barium oxide, or a mixture thereof can be used, and as a deposition method, a laser ablation method, a CVD method, or a sputtering method can also be used. In the first embodiment shown in FIG. 1, the gate insulating film 18 has a thickness of about 450 nm. In the present invention, the gate insulating film has a thickness of about 200 nm to about 1000 nm. More preferably, it can be set in the range of about 300 nm to about 900 nm. Furthermore, in the present invention, the thickness of the gate insulating film can be changed within a range of, for example, about 50 nm to 10 μm, depending on the dielectric material used and device characteristics.

ゲート絶縁膜18の上には、マスキング法により形成されたゲート電極20が形成されている、ゲート電極20は、本発明の第1の実施の形態では、Alから約15nmの厚さとして形成されているが、Al、W、Ti、Ni、Moを含む金属またはこれらの金属のいかなる合金でも用いることができ、また、その膜厚は、約10nm〜約20nmの厚さの範囲で形成することができる。さらに、本発明の半導体装置は、図1に示した各要素を湿度などから保護するため、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、シリコーン、二酸化ケイ素、または窒化ケイ素などの材料から形成されるパッシべーション膜を有していてもよい。   A gate electrode 20 formed by a masking method is formed on the gate insulating film 18. The gate electrode 20 is formed with a thickness of about 15 nm from Al in the first embodiment of the present invention. However, a metal containing Al, W, Ti, Ni, Mo or any alloy of these metals can be used, and the film thickness should be in the range of about 10 nm to about 20 nm. Can do. Further, the semiconductor device of the present invention is a passivation formed of a material such as polymethyl methacrylate, polystyrene, polycarbonate, silicone, silicon dioxide, or silicon nitride in order to protect each element shown in FIG. 1 from humidity. You may have a film.

図1(b)は、本発明の第1の実施の形態の半導体装置の上面図を示す。半導体装置10のゲート絶縁膜18のサイズは、概ね700μm×1100μmとされ、ソース−ドレイン電極間の距離は、200μmであり、ソース電極14とドレイン電極の互いに対向する辺の長さは、500μmとされている。各構造は、マスクを使用した真空蒸着法およびPLD法により形成されている。   FIG. 1B is a top view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The size of the gate insulating film 18 of the semiconductor device 10 is approximately 700 μm × 1100 μm, the distance between the source and drain electrodes is 200 μm, and the length of the sides of the source electrode 14 and the drain electrode facing each other is 500 μm. Has been. Each structure is formed by a vacuum evaporation method using a mask and a PLD method.

図2は、本発明の半導体装置の第2の実施の形態を示す。図2(a)が断面構造を示した図であり、図2(b)が、上面図である。なお、断面構造は、図2(b)の切断線A−Aに沿って切断した断面構造である。図2に示した本発明の半導体装置の第2の実施の形態では、ゲート絶縁膜18の絶縁性を向上させるために、ゲート絶縁膜18を、複数の材料を積層して形成する他は、図1で説明したと同一の構成を有しているので、以下、ゲート絶縁膜18の構成を詳細に説明する。図2に示した半導体装置10のゲート絶縁膜18は、第1の絶縁膜18aと第2の絶縁膜18bとから形成されている。第1の絶縁膜および第2の絶縁膜ともに、上述した酸化物膜を使用することができ、第1の絶縁膜の膜厚は、1nm〜50nm、より好ましくは、1nm〜30nm、さらに好ましくは、1nm〜20nmとすることができる。第1の絶縁膜18aの堆積は、本発明の特定の実施の形態では、レーザアブレーション法を使用して成膜することができるが、酸化物の堆積を行うことができる限り、CVD(Chemical Vapor Deposition)なども使用することができるが、本発明では、上述した膜厚に限定されるわけではない。   FIG. 2 shows a second embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIG. 2A is a diagram showing a cross-sectional structure, and FIG. 2B is a top view. The cross-sectional structure is a cross-sectional structure cut along a cutting line AA in FIG. In the second embodiment of the semiconductor device of the present invention shown in FIG. 2, in order to improve the insulation of the gate insulating film 18, the gate insulating film 18 is formed by laminating a plurality of materials. Since it has the same configuration as described in FIG. 1, the configuration of the gate insulating film 18 will be described in detail below. The gate insulating film 18 of the semiconductor device 10 shown in FIG. 2 is formed of a first insulating film 18a and a second insulating film 18b. The oxide film described above can be used for both the first insulating film and the second insulating film, and the thickness of the first insulating film is 1 nm to 50 nm, more preferably 1 nm to 30 nm, and still more preferably. It can be 1 nm to 20 nm. In the specific embodiment of the present invention, the first insulating film 18a can be deposited using a laser ablation method. However, as long as an oxide can be deposited, the CVD (Chemical Vapor) can be used. Deposition) can also be used, but the present invention is not limited to the above-described film thickness.

本発明の第2の実施の形態における第2の絶縁膜18bは、第1の絶縁膜を形成する酸化物を使用して形成することができる。しかしながら、本発明では、第1の絶縁膜を形成する酸化物の酸素含有量(モル比)は、第2の絶縁膜を形成する酸化物の酸素含有量よりも低くすることが、良好なスイッチング特性を与えるためには好ましい傾向が見られた。第2の絶縁膜の膜厚は、300nm〜1000nmの範囲で使用することができ、より好ましくは、300nm〜900nmの範囲とすることができる。また、第1の絶縁膜と第2の絶縁膜との合計の膜厚は、約300nm〜約1000nmとすることができる。   The second insulating film 18b according to the second embodiment of the present invention can be formed using an oxide that forms the first insulating film. However, in the present invention, it is preferable that the oxygen content (molar ratio) of the oxide forming the first insulating film is lower than the oxygen content of the oxide forming the second insulating film. A favorable trend was seen to give properties. The film thickness of the second insulating film can be used in the range of 300 nm to 1000 nm, and more preferably in the range of 300 nm to 900 nm. The total thickness of the first insulating film and the second insulating film can be about 300 nm to about 1000 nm.

図3は、本発明の半導体装置の第3の実施の形態を示した図である。図1および図2と同様に、図3(a)が図3(b)の上面図の切断線A−Aに沿って切断した場合の断面構造に対応する。図3に示した実施の形態では、基板12上にTiO膜22が、PVD、レーザアブレーション、またはCVD法を使用して堆積されている。このとき、基板12は、エッチャントでの処理または500℃〜900℃の範囲での熱処理を程こすることができる。基板12としては、図3に示した実施の形態では、LaAlO単結晶基板を使用することができる。また、図3に示した実施の形態では、LaAlO3単結晶基板の他、基板12としては、シリカバリヤ層を形成したソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、低アルカリホウケイ酸ガラス、石英ガラス、溶融石英などのガラス、シリコン・ウェハ、GaAsウェハ、TiO単結晶基板などを使用することができ、TiOが良好に製膜できる限り、特に基板12に限定はない。また、TiO膜を気相成長法で成膜する場合には、TiOの膜厚は、10nm〜1μmの範囲とすることができ、より好ましくは、10nm〜50nmとすることができる。また、気相堆積法により形成されたTiO膜上には、図2で説明したように複数のゲート絶縁膜を形成して、半導体装置とすることもできる。FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the semiconductor device of the present invention. Similar to FIGS. 1 and 2, FIG. 3A corresponds to a cross-sectional structure taken along the cutting line AA in the top view of FIG. 3B. In the embodiment shown in FIG. 3, a TiO 2 film 22 is deposited on the substrate 12 using PVD, laser ablation, or CVD methods. At this time, the substrate 12 can be subjected to a treatment with an etchant or a heat treatment in a range of 500 ° C. to 900 ° C. As the substrate 12, a LaAlO 3 single crystal substrate can be used in the embodiment shown in FIG. In the embodiment shown in FIG. 3, in addition to the LaAlO 3 single crystal substrate, as the substrate 12, soda lime glass, borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, low alkali borosilicate glass, quartz, and quartz with a silicer layer are formed. Glass, glass such as fused silica, silicon wafer, GaAs wafer, TiO 2 single crystal substrate, and the like can be used, and the substrate 12 is not particularly limited as long as TiO 2 can be formed satisfactorily. Further, in case of forming a TiO 2 film by vapor deposition method, the thickness of the TiO 2 can be in the range of 10 nm to 1 m, more preferably, it may be 10 nm to 50 nm. Further, as described with reference to FIG. 2, a plurality of gate insulating films can be formed on the TiO 2 film formed by the vapor deposition method to form a semiconductor device.

図4は、本発明の半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を示した図である。図4に示した本発明の製造方法は、まず、TiOの単結晶基板を用意し(図4(a))、エッチャントで処理する場合には、エッチャントで処理した後、ソース電極14およびドレイン電極16を適切なマスクまたはフォトリソグラフィー法を使用して基板12上に堆積させる(図4(b))。その後、ゲート絶縁膜18を同様にマスクまたはフォトリソグラフィー法を使用して成膜する(図4(c))。その後、本発明の半導体装置は、同様の成膜法を使用してゲート電極20をゲート絶縁膜18上に堆積させることにより製造される。その後、必要に応じてパッシベーション膜を成膜して、本発明の半導体装置が製造できる。FIG. 4 is a diagram showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention. In the manufacturing method of the present invention shown in FIG. 4, first, a TiO 2 single crystal substrate is prepared (FIG. 4A), and in the case of processing with an etchant, after processing with the etchant, the source electrode 14 and the drain An electrode 16 is deposited on the substrate 12 using an appropriate mask or photolithography method (FIG. 4B). Thereafter, the gate insulating film 18 is similarly formed using a mask or a photolithography method (FIG. 4C). Thereafter, the semiconductor device of the present invention is manufactured by depositing the gate electrode 20 on the gate insulating film 18 using a similar film forming method. Thereafter, a passivation film is formed as necessary, and the semiconductor device of the present invention can be manufactured.

図5は、本発明の半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を示した図である。本発明の製造方法の第2の実施の形態では、TiO単結晶基板に対して必要によりエッチング処理を施した後(図5(a))、ソース電極14およびドレイン電極16を適切なマスクまたはフォトリソグラフィー法を使用して形成する(図5(b))。その後、第1の絶縁膜18aを堆積させ(図5(c))、さらに、第2の絶縁膜を堆積させる(図5(d))。その後、成膜された第2の絶縁膜18b上にゲート電極を形成して、半導体構造とされる(図5(e))。FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. In the second embodiment of the manufacturing method of the present invention, after etching the TiO 2 single crystal substrate as necessary (FIG. 5 (a)), the source electrode 14 and the drain electrode 16 are placed in an appropriate mask or It forms using a photolithographic method (FIG.5 (b)). Thereafter, a first insulating film 18a is deposited (FIG. 5C), and further a second insulating film is deposited (FIG. 5D). Thereafter, a gate electrode is formed on the formed second insulating film 18b to form a semiconductor structure (FIG. 5E).

また、本発明において、ソース電極およびドレイン電極は、TiO層の下側に形成することもできる。この構成を有する半導体構造を製造する場合には、まず、シリカバリヤ層を形成したソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、低アルカリホウケイ酸ガラス、石英ガラス、溶融石英などのガラス、シリコン・ウェハ、LaAlOなどの誘電体基板上に金属材料などの導電性材料からソース電極およびドレイン電極を形成し、その上にTiOからなる半導体層を形成する。その後、ゲート絶縁膜を上述したようにして形成し、形成されたゲート絶縁膜上に、ゲート電極を形成することにより製造することができる。これらのパターニングは、これまで知られたコンタクトマスクを使用する方法や、フォトリソグラフィーを使用して行うことができる。本発明で使用するTiOは、フォトキャリア発生の程度は低いので、正スタガ型構造を有する半導体装置でも遮光層を使用することなく半導体活性を与えることができる。In the present invention, the source electrode and the drain electrode can also be formed below the TiO 2 layer. When manufacturing a semiconductor structure having this configuration, first, soda-lime glass, borosilicate glass, aluminoborosilicate glass, low alkali borosilicate glass, quartz glass, fused silica, A source electrode and a drain electrode are formed from a conductive material such as a metal material on a dielectric substrate such as a wafer or LaAlO 3, and a semiconductor layer made of TiO 2 is formed thereon. Thereafter, the gate insulating film can be formed as described above, and the gate electrode can be formed on the formed gate insulating film. Such patterning can be performed using a method using a contact mask known so far or photolithography. Since TiO 2 used in the present invention has a low degree of photocarrier generation, even a semiconductor device having a positive staggered structure can provide semiconductor activity without using a light shielding layer.

図6は、本発明の半導体装置の製造方法の第3の実施の形態を示す。図3に示す製造方法は、まず、基板12上にTiO膜を成膜して、活性層を形成する(図6(a))。この実施の形態では、基板としては上述したように、LaAlO単結晶基板の他、基板12としては、シリカバリヤ層を形成したソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、低アルカリホウケイ酸ガラス、石英ガラス、溶融石英などのガラス、シリコン・ウェハ、GaAsウェハ、TiO単結晶基板などを使用することができる。FIG. 6 shows a third embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. In the manufacturing method shown in FIG. 3, first, a TiO 2 film is formed on the substrate 12 to form an active layer (FIG. 6A). In this embodiment, as described above, the substrate is a LaAlO 3 single crystal substrate, and the substrate 12 is a soda-lime glass, a borosilicate glass, an aluminoborosilicate glass, a low alkali borosilicate glass in which a silylesta layer is formed. Glass such as quartz glass and fused silica, silicon wafer, GaAs wafer, TiO 2 single crystal substrate, and the like can be used.

本発明ではTiO膜を堆積させる場合、TiO膜の酸素欠損を改善するために、酸素分圧を低圧から高圧に変調しながら成膜することで、TiOのチャネル特性を向上させることができることが見出された。本発明の酸素間欠変調堆積法では、低酸素分圧下でTiOの堆積を行い、それよりも高い酸素分圧下で、堆積したTiO膜をアニールする。その後、アニールされたTiO膜上に連続してTiOを堆積させる。低酸素分圧に相当する圧力としては、1.33×10−7Pa〜1.33Paの範囲とすることができ、高酸素分圧に相当する圧力としては、1.3×10−4Pa〜1.33×10Paの範囲とすることができ、より適切には、低酸素分圧として、1.33×10−4Pa〜1.3Pa、高酸素分圧としては、0.013〜13Paの圧力の範囲とすることができ、より好ましくは、高酸素分圧としては、0.013〜1.3Paの範囲とすることができる。In the present invention, when a TiO 2 film is deposited, the channel characteristics of TiO 2 can be improved by forming the film while modulating the oxygen partial pressure from a low pressure to a high pressure in order to improve oxygen vacancies in the TiO 2 film. It was found that it was possible. In the intermittent oxygen modulation deposition method of the present invention, TiO 2 is deposited under a low oxygen partial pressure, and the deposited TiO 2 film is annealed under a higher oxygen partial pressure. Then, continuously annealed TiO 2 film of TiO 2 is deposited. The pressure corresponding to the low oxygen partial pressure can be in the range of 1.33 × 10 −7 Pa to 1.33 Pa, and the pressure corresponding to the high oxygen partial pressure is 1.3 × 10 −4 Pa. To 1.33 × 10 3 Pa, and more suitably 1.33 × 10 −4 Pa to 1.3 Pa as the low oxygen partial pressure, and 0.013 as the high oxygen partial pressure. The pressure can be in the range of ˜13 Pa. More preferably, the high oxygen partial pressure can be in the range of 0.013 to 1.3 Pa.

さたに低酸素分圧の期間と、高酸素分圧の期間とは、成膜効率にもよるが、低酸素分圧の期間:高酸素分圧の期間(3:5)を、10:1〜1:10の範囲とすることができ、成膜速度を考慮すれば、1:1〜1:5の範囲とすることができ、さらに膜質および製造効率を考慮すれば1:1〜1:3の範囲とすることができる。   The low oxygen partial pressure period and the high oxygen partial pressure period depend on the deposition efficiency, but the low oxygen partial pressure period: the high oxygen partial pressure period (3: 5) is 10: The range can be in the range of 1: 1 to 1:10. If the film formation rate is taken into consideration, the range can be in the range of 1: 1 to 1: 5. If the film quality and production efficiency are further taken into consideration, the range is 1: 1 to 1. : 3 range.

その後、成膜されたTiO膜上にソース電極14およびドレイン電極を形成し(図6(b))、ゲート絶縁膜18を形成する(図6(c))。なお、本発明の第3の実施の形態においても、図5で説明したように、ゲート絶縁膜18を複数の絶縁膜を積層して形成することができる。その後、図6(d)で示すように、形成されたゲート絶縁膜18上にゲート電極20を形成し、本発明の半導体構造を形成する。Thereafter, the source electrode 14 and the drain electrode are formed on the formed TiO 2 film (FIG. 6B), and the gate insulating film 18 is formed (FIG. 6C). In the third embodiment of the present invention, as described with reference to FIG. 5, the gate insulating film 18 can be formed by stacking a plurality of insulating films. Thereafter, as shown in FIG. 6D, a gate electrode 20 is formed on the formed gate insulating film 18 to form the semiconductor structure of the present invention.

以下、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明するが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
市販の研磨済ルチル型TiOの単結晶基板(株式会社信光社製、結晶面(110))を、大気中、700℃で1時間加熱処理して基板とした。得られた基板を原子間力顕微鏡(AFM:セイコーインスツルメンツ社製、SPI3700およびSPA300)を使用してその表面特性を観察した。図7には、その結果を示す。図7に示すように、実施例1で使用したTiO単結晶基板の表面には、ステップとテラス面とが観察された。また、図7に示すように、ステップエッジは荒れた構造を有しているものの、ステップ高さが0.32nmと、原子レベルで平坦な表面が得られた。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific embodiments, but the present invention is not limited to the examples described below.
(Example 1)
A commercially available polished rutile TiO 2 single crystal substrate (Shinko Co., Ltd., crystal plane (110)) was heated in the atmosphere at 700 ° C. for 1 hour to obtain a substrate. The surface characteristics of the obtained substrate were observed using an atomic force microscope (AFM: manufactured by Seiko Instruments Inc., SPI3700 and SPA300). FIG. 7 shows the result. As shown in FIG. 7, a step and a terrace surface were observed on the surface of the TiO 2 single crystal substrate used in Example 1. In addition, as shown in FIG. 7, although the step edge has a rough structure, a step height of 0.32 nm and a flat surface at the atomic level were obtained.

得られたTiO基板上に真空蒸着装置(アルバックVPC260、到達真空度(2.6×10−4Pa)を用い、コンタクトマスクを使用した真空蒸着法を用いて15nmの厚さのソース電極およびドレイン電極を形成した。電極材料としては、Alを使用した。その後、パルスレーザ・デポジッション(PLD)法を用いて、ターゲットをLaAlO単結晶基板(株式会社信光社製)として、約450nmのアモルファスLaAlO絶縁層を堆積させた。PLDの条件は、堆積温度=室温、酸素分圧=1.3Paとし、パルスレーザ=KrFエキシマレーザ(248nm、ラムダ・フィジックス社製、COMPEX102)を使用して、4Hz、レーザ出力=2.8J/cm、レーザパルス数=60000とした。生成した絶縁層上に、厚さ15nmのAl電極をマスクを使用した蒸着法により形成し、電界効果トランジスタを製造した。なお、電界効果トランジスタ構造は、移動度の異方性を検討するために、90°ソース電極およびドレイン電極の方向を変えて複数形成した。Using a vacuum deposition apparatus (ULVAC VPC260, ultimate vacuum (2.6 × 10 −4 Pa) on the obtained TiO 2 substrate, using a vacuum deposition method using a contact mask, a source electrode having a thickness of 15 nm and A drain electrode was formed, Al was used as the electrode material, and then the target was a LaAlO 3 single crystal substrate (manufactured by Shinko Co., Ltd.) using a pulsed laser deposition (PLD) method. An amorphous LaAlO 3 insulating layer was deposited using the following conditions: PLD conditions: deposition temperature = room temperature, oxygen partial pressure = 1.3 Pa, and pulse laser = KrF excimer laser (248 nm, manufactured by Lambda Physics, COMPEX102). , 4 Hz, laser output = 2.8 J / cm 2, and the number of laser pulses = 60000. the resulting absolute On the layer, an Al electrode having a thickness of 15 nm was formed by vapor deposition using a mask to manufacture a field effect transistor, which has a structure of 90 ° in order to study the mobility anisotropy. A plurality of source electrodes and drain electrodes were formed in different directions.

図8には、得られた電界効果トランジスタの室温での特性を示す。図8(a)が、種々のゲート電圧におけるソース−ドレイン間に印加される電圧に対してソース−ドレイン間に流れる電流(Ids)を示したプロットであり、図8(b)は、ゲート電圧の変化させた場合のソース−ドレイン間に流れる電流(Ids)を示したプロットである。図8(a)に示されるように、ゲート電圧(Vg)の印加によって、ソース−ドレイン間電流Idsは、明らかに変調されていることが示された。また、図8(b)に示すように、ゲート電圧のオン・オフスイッチング動作に応答して、Idsは、10以上のオン/オフ比を示し、明瞭にトランジスタ動作していることがわかった。また、図8(b)に示されるように、ゲート電極に正バイアスを印加することによりチャネルの伝導度が増加していることから、TiOは、典型的なnチャネル活性層として機能していることがわかる。さらに、Vg=0のときにIdが10−8Aと、比較的大きい値が得られた。このため、実施例1で得られた電界効果トランジスタは、ノーマリオン特性を示すということができる。また、図8(a)に示したVg−Id特性から、飽和領域での移動度がμsat=0.03cm/Vsとして得られた。FIG. 8 shows the characteristics of the obtained field effect transistor at room temperature. FIG. 8A is a plot showing the current (Ids) flowing between the source and the drain with respect to the voltage applied between the source and the drain at various gate voltages, and FIG. 5 is a plot showing a current (Ids) flowing between the source and the drain when V is changed. As shown in FIG. 8A, it was shown that the source-drain current Ids was clearly modulated by the application of the gate voltage (Vg). Further, as shown in FIG. 8 (b), in response to on-off switching operation of the gate voltage, Ids represents the 10 2 or more ON / OFF ratio was found to be clearly have transistor operation . In addition, as shown in FIG. 8B, TiO 2 functions as a typical n-channel active layer because the channel conductivity is increased by applying a positive bias to the gate electrode. I understand that. Furthermore, when Vg = 0, a relatively large value of Id of 10 −8 A was obtained. For this reason, it can be said that the field effect transistor obtained in Example 1 shows normally-on characteristics. Further, from the Vg-Id characteristics shown in FIG. 8A, the mobility in the saturation region was obtained as μ sat = 0.03 cm 2 / Vs.

(実施例2:HF表面処理の効果)
実験例1で使用した市販の研磨済ルチル型TiO単結晶基板を使用し、濃度40%のフッ化水素酸溶液(和光純薬、試薬特級)を使用し、特開2004−288767号公報に記載した条件で基板表面をエッチングし、その後、700℃で1時間加熱処理して基板として使用した。図9には、得られた基板の表面特性を原子間力顕微鏡を使用して観察した結果を示す。図9に示されるように、TiOの表面は、良好に規定された直線的なステップとテラス構造を示し、原子レベルで平滑化されたことがわかる。得られたTiO基板上に、実験例1と同様にして、アモルファスLaAlO膜からなる膜厚750nmのゲート絶縁膜有する電界効果トランジスタ構造を作製した。
(Example 2: Effect of HF surface treatment)
Using the commercially available polished rutile TiO 2 single crystal substrate used in Experimental Example 1, using a 40% concentration hydrofluoric acid solution (Wako Pure Chemical Industries, reagent special grade), JP 2004-288767 A The substrate surface was etched under the described conditions, and then heat-treated at 700 ° C. for 1 hour to be used as a substrate. In FIG. 9, the result of having observed the surface characteristic of the obtained board | substrate using the atomic force microscope is shown. As shown in FIG. 9, it can be seen that the surface of TiO 2 exhibits a well-defined linear step and terrace structure and is smoothed at the atomic level. On the obtained TiO 2 substrate, a field effect transistor structure having a gate insulating film having a thickness of 750 nm made of an amorphous LaAlO 3 film was produced in the same manner as in Experimental Example 1.

図10には、実験例2で得られた電界効果トランジスタの室温での特性を示す。図10に示された特性のうち、(a)および(b)は、チャネルが[001]結晶軸の方向に形成された電界効果トランジスタのデータであり、(c)および(d)が、[−110]結晶軸の方向にチャネルを形成した場合のデータを示す。いずれの場合についても、Idsのオン/オフ比は、約10以上の値が観察され、また、ゲート電位Vgの増加に伴い、Igsが増加していることから、典型的なnチャネル伝導性を有し、また、Vg=0の場合のIdsの値から、ノーマリオンのトランジスタ特性を示していることが示された。図10(a)および図10(c)のデータから飽和領域での移動度を算出すると、チャネルが[001]の方向に形成された電界効果トランジスタでは、移動度が、0.08cm/Vs、[−110]方向にチャネルが形成された場合には、移動度が0.03cm/Vsという値が得られ、移動度に異方性が観測された。FIG. 10 shows the characteristics of the field-effect transistor obtained in Experimental Example 2 at room temperature. Among the characteristics shown in FIG. 10, (a) and (b) are data of a field effect transistor in which the channel is formed in the direction of the [001] crystal axis, and (c) and (d) are [ -110] shows data when a channel is formed in the direction of the crystal axis. In either case, the on / off ratio of Ids is observed to be about 10 2 or more, and Igs increases as the gate potential Vg increases. In addition, from the value of Ids when Vg = 0, it was shown that normally-on transistor characteristics were shown. When the mobility in the saturation region is calculated from the data in FIGS. 10A and 10C, the mobility is 0.08 cm 2 / Vs in the field effect transistor in which the channel is formed in the direction of [001]. When a channel was formed in the [−110] direction, a mobility of 0.03 cm 2 / Vs was obtained, and anisotropy was observed in the mobility.

図11には、各チャネル方向についての移動度を、複数形成した電界効果トランジスタについて得た結果を示す。図11では、横軸には、コンタクトマスクを使用して結晶方向の異なる半導体装置を複数形性した際のデバイス番号を示し、縦軸には、移動度を示している。図11に示されるように、移動度は、有意的に異方性を有しているといえる。この移動度の異方性は、ルチル構造のバンド構造から予想される電子の有効質量の差を反映しているものと考えられ、表面状態が超平坦になることで、TiOのバンド構造がより反映されていることが示された。また、実験例1では、チャネルの形成方向について異方性が観測されなかったこと、および実験例2での[001]方向の移動度が、実験例1で得られたTiOの[110]基板を使用した実験例1と比較して2倍以上向上していることから、TiOの半導体特性が大きく表面処理に依存することが見出された。FIG. 11 shows the results obtained for a plurality of formed field effect transistors with respect to mobility in each channel direction. In FIG. 11, the horizontal axis indicates a device number when a plurality of semiconductor devices having different crystal directions are formed using a contact mask, and the vertical axis indicates mobility. As shown in FIG. 11, it can be said that the mobility has significant anisotropy. This mobility anisotropy is considered to reflect the difference in effective mass of electrons expected from the band structure of the rutile structure, and the surface state becomes super flat, so that the band structure of TiO 2 is It was shown that it is reflected more. In Experimental Example 1, no anisotropy was observed in the channel formation direction, and the mobility in the [001] direction in Experimental Example 2 was [110] of TiO 2 obtained in Experimental Example 1. It has been found that the semiconductor characteristics of TiO 2 are largely dependent on the surface treatment since it is improved by a factor of 2 or more compared to Experimental Example 1 using a substrate.

(実験例3:トランジスタ特性のゲート絶縁膜依存性)
実施例2と同様に超平坦化したルチル型TiO単結晶(110)上に、実験例1と同様にしてAlを真空蒸着法して膜厚15〜20nmのソース電極およびドレイン電極を形成した。その後、ゲート絶縁層を、PLD法を使用して堆積させた。ゲート絶縁層は、PLD法においてまず、MgOをターゲットとして、堆積温度=室温、酸素分圧=1.3×10−3Pa、レーザ=KrFエキシマレーザ、出力3J/cmで500パルスを照射して、MgOからなる膜厚1nmの第1のゲート絶縁層(insulating buffer layer)を堆積させた。さらにその後、LaAlO(LaAlO単結晶、株式会社信光社製)ターゲットを使用して堆積温度=室温、酸素分圧=1.3Pa、レーザ=KrFエキシマレーザ、出力2.8J/cm、繰り返し周波数4Hzで、40000パルス照射して、アモルファスLaAlOからなる膜厚300nmの第2のゲート絶縁層を形成した。
(Experimental example 3: dependence of transistor characteristics on gate insulating film)
A source electrode and a drain electrode having a film thickness of 15 to 20 nm were formed on the rutile TiO 2 single crystal (110) ultra-flattened in the same manner as in Example 2 by vacuum deposition of Al in the same manner as in Experimental Example 1. . A gate insulating layer was then deposited using the PLD method. In the PLD method, the gate insulating layer is first irradiated with 500 pulses at a deposition temperature = room temperature, oxygen partial pressure = 1.3 × 10 −3 Pa, laser = KrF excimer laser, output 3 J / cm 2 with MgO as a target. Then, a first gate insulating layer (insulating buffer layer) made of MgO and having a thickness of 1 nm was deposited. Thereafter, using a LaAlO 3 (LaAlO 3 single crystal, manufactured by Shinko Co., Ltd.) target, deposition temperature = room temperature, oxygen partial pressure = 1.3 Pa, laser = KrF excimer laser, output 2.8 J / cm 2 , repetitive By irradiation with 40000 pulses at a frequency of 4 Hz, a second gate insulating layer made of amorphous LaAlO 3 and having a thickness of 300 nm was formed.

図12には、実験例3で製造された電界効果トランジスタの特性を示す。図12(a)が、ソース−ゲート間電位に対するIdsを示し、図12(b)は、ソース−ドレイン間電位に対するIdsを示す。図12(a)に示されるように、第1の絶縁層を用いることにより、オフ電流を10−12〜10−11Aまで低減できることが示された。また、ゲートバイアスが0Vの条件で、Idsの値は、10−12〜10−11であり、ノーマリオフの特性を示した。また、トランジスタのスイッチング挙動を見ても、しきい値電位を越えて得られるIdsの電流のオン・オフ比は、約10以上となっており、実験例1および実験例2に比較して約10程度改善された。実験例3で得られた結果は、MgOバッファ層をTiO層と、アモルファスLaAlO層との間に挿入することで、アモルファスLaAlOとTiOとの界面での電荷の移動を抑制することができたことを示すものである。また、飽和電圧における移動度は、0.05cm/Vsの値が得られており、実験例2とほぼ同等の値であった。FIG. 12 shows the characteristics of the field-effect transistor manufactured in Experimental Example 3. 12A shows Ids with respect to the source-gate potential, and FIG. 12B shows Ids with respect to the source-drain potential. As shown in FIG. 12A, it was shown that the off current can be reduced to 10 −12 to 10 −11 A by using the first insulating layer. Further, under the condition that the gate bias is 0 V, the value of Ids is 10 −12 to 10 −11 , indicating normally-off characteristics. Also, looking at the switching behavior of the transistor, the on / off ratio of the current of Ids obtained exceeding the threshold potential is about 10 4 or more, which is compared with Experimental Example 1 and Experimental Example 2. It was improved by about 10 2. The result obtained in Experimental Example 3 is that the MgO buffer layer is inserted between the TiO 2 layer and the amorphous LaAlO 3 layer to suppress the charge transfer at the interface between the amorphous LaAlO 3 and TiO 2. This indicates that it was possible. Further, the mobility at the saturation voltage was 0.05 cm 2 / Vs, which was almost the same value as in Experimental Example 2.

(実験例5:TiO堆積膜の検討)
市販のLaAlO単結晶基板(株式会社信光社製、結晶面(001))上にPLD法を用いて、膜厚25nmのアナターゼ型TiO膜を成膜した。PLD成膜条件は、以下の通りである。
(Experimental example 5: Examination of TiO 2 deposited film)
An anatase TiO 2 film having a film thickness of 25 nm was formed on a commercially available LaAlO 3 single crystal substrate (manufactured by Shinko Co., Ltd., crystal plane (001)) using the PLD method. PLD film formation conditions are as follows.

<TiO(アナターゼ)膜>
ターゲット=TiO粉末焼結体(高純度化学社製、3N)堆積時基板温度=650℃、
酸素分圧=1.3×10−4Pa、
KrFエキシマレーザ=出力1.5J/cm、繰り返し周波数2Hz、10000パルス。
成膜後、101.3kPaのO環境下、400℃、2時間アニールして、基板として使用した。
<TiO 2 (anatase) film>
Target = TiO 2 powder sintered body (manufactured by Koyo Chemical Co., Ltd., 3N) Deposition substrate temperature = 650 ° C.
Oxygen partial pressure = 1.3 × 10 −4 Pa,
KrF excimer laser = output 1.5 J / cm 2 , repetition frequency 2 Hz, 10000 pulses.
After the film formation, it was annealed at 400 ° C. for 2 hours in an O 2 environment of 101.3 kPa and used as a substrate.

その後、実験例1と同様にして、Alソース電極、Alドレイン電極を形成し、LaAlO膜(240nm)をPLD法により成膜して、実験例1と同様にしてAlゲート電極を形成し、電界効果トランジスタを製造した。LaALO成膜の際のPLD法の条件は以下のとおりである。Thereafter, an Al source electrode and an Al drain electrode are formed in the same manner as in Experimental Example 1, a LaAlO 3 film (240 nm) is formed by the PLD method, and an Al gate electrode is formed in the same manner as in Experimental Example 1. A field effect transistor was manufactured. The conditions of the PLD method in forming the LaALO 3 film are as follows.

<LaAlO膜>
ターゲット=LaALO単結晶基板(株式会社信光社製)
酸素分圧=1.3Pa
KrFエキシマレーザ=出力2.5J/cm、繰り返し周波数10Hz、230000パルス。
<LaAlO 3 film>
Target = LaALO 3 single crystal substrate (manufactured by Shinko Co., Ltd.)
Oxygen partial pressure = 1.3Pa
KrF excimer laser = output 2.5 J / cm 2 , repetition frequency 10 Hz, 230000 pulses.

図13には、製造したTiO(アナターゼ:(001))膜のAFM像を示す。製造されたTiO(アナターゼ:(001))膜は、反射高速電子線回折(RHEED)像を確認したところ、4倍周期の回折像が明確に確認され、超平滑な単結晶性のアナターゼ(001)薄膜が得られていることがわかった。図14には、得られた電界効果トランジスタの特性を示す。図14(a)が、ゲート電圧におけるソース−ドレイン間に印加される電圧に対してソース−ドレイン間に流れる電流(Ids)を示したプロットであり、図14(b)は、ゲート電圧(Vg)を変化させた場合のソース−ドレイン間に流れる電流(Ids)を示したプロットである。図14(a)に示されるように、直線領域におけるキャリアの移動度は、移動度は、約1cm/Vsと、比較的高い値が得られた。オフ電流は、10−5Aと高く、ノーマリオンの特性を示したが、ゲート電圧の印加によってドレイン電流に1桁以上の変調を加えることができ、アナターゼ型のTiO膜でもトランジスタ動作の確認ができた。FIG. 13 shows an AFM image of the manufactured TiO 2 (anatase: (001)) film. When the manufactured TiO 2 (anatase: (001)) film was confirmed by reflection high-energy electron diffraction (RHEED) image, a diffraction image having a fourfold period was clearly confirmed, and an ultra-smooth single crystal anatase ( 001) It was found that a thin film was obtained. FIG. 14 shows the characteristics of the obtained field effect transistor. FIG. 14A is a plot showing the current (Ids) flowing between the source and the drain with respect to the voltage applied between the source and the drain at the gate voltage, and FIG. 14B shows the gate voltage (Vg). ) Is a plot showing the current (Ids) flowing between the source and the drain when changing. As shown in FIG. 14A, the mobility of the carrier in the linear region was about 1 cm 2 / Vs, which was a relatively high value. The off-state current is as high as 10 −5 A, indicating normally-on characteristics. However, the gate current can be applied to modulate the drain current by one digit or more, and the transistor operation is confirmed even with an anatase TiO 2 film. I was able to.

(実験例6:TiO堆積膜についての熱処理の効果)
市販のLaAlO単結晶基板(001)上に実験例5と同様にしてPLD法を用いて膜厚25nmのアナターゼ型TiO膜を成膜した。その後、さらに大気中、電気炉で800℃、2時間の加熱処理を施した。TiOの結晶性は、RHEED像を用い、4倍周期の回折像が明確に観測されたことから、アナターゼ単結晶膜が得られたことが確認された。次いで、Alを使用して膜厚20nmのソース電極、ドレイン電極を堆積させ、実験例3と同様にして2nmのMgO膜および900nmのLaAlO膜を堆積させ、トータルの膜厚が約900nmのゲート絶縁層を成膜した。さらに、その後、Alを使用して膜厚20nmのゲート電極を形成して、TiO膜をチャネル層として用いた電界効果トランジスタを製造した。
(Experimental example 6: Effect of heat treatment on TiO 2 deposited film)
An anatase TiO 2 film having a film thickness of 25 nm was formed on a commercially available LaAlO 3 single crystal substrate (001) in the same manner as in Experimental Example 5 using the PLD method. Thereafter, heat treatment was further performed in the air in an electric furnace at 800 ° C. for 2 hours. As for the crystallinity of TiO 2 , it was confirmed that an anatase single crystal film was obtained because a diffraction image having a period of 4 times was clearly observed using an RHEED image. Next, a source electrode and a drain electrode having a film thickness of 20 nm are deposited using Al, and a 2 nm MgO film and a 900 nm LaAlO 3 film are deposited in the same manner as in Experimental Example 3, and a gate having a total film thickness of about 900 nm is deposited. An insulating layer was formed. Further, after that, a gate electrode having a thickness of 20 nm was formed using Al, and a field effect transistor using a TiO 2 film as a channel layer was manufactured.

図15は、得られたトランジスタ特性を示す。図15(a)は、ゲート電圧におけるソース−ドレイン間に印加される電圧に対してソース−ドレイン間に流れる電流(Ids)を示したプロットであり、図15(b)は、ゲート電圧(V)を変化させた場合のソース−ドレイン間に流れる電流(Ids)を示したプロットである。図15(b)に示されるように、実験例6で得られた電界効果型トランジスタは、オン・オフ電流の比として約10以上が得られた。また、図15(b)に示されるように、ピンチオフも明確に現れ、オフ電流は10−9A程度と高いものの、ノーマリオフのトランジスタ動作を示すことが示された。また、飽和領域での移動度は、0.06cm/Vsという値が得られた。FIG. 15 shows the obtained transistor characteristics. FIG. 15A is a plot showing the current (Ids) flowing between the source and the drain with respect to the voltage applied between the source and the drain at the gate voltage, and FIG. It is the plot which showed the electric current (Ids) which flows between source-drain at the time of changing g ). As shown in FIG. 15B, the field effect transistor obtained in Experimental Example 6 has an on / off current ratio of about 10 3 or more. Further, as shown in FIG. 15 (b), pinch-off clearly appears, indicating that normally-off transistor operation is exhibited although the off-current is as high as 10 −9 A. Further, the mobility in the saturation region was 0.06 cm 2 / Vs.

(実験例7:ルチル型TiO(100)単結晶基板についての検討)
市販のルチル型TiO(100)単結晶基板を使用して実施例1と同様にしてHF処理およびアニール処理を行い、ステップ−テラス構造を有する表面を形成させた。図16には、実験例7で得られたルチル型TiO(100)単結晶基板の表面のAFM像を示す。図16に示すように、実験例7で得られたルチル型TiO(100)単結晶基板についても良好なステップ−テラス構造が形成されているのが示される。
(Experimental example 7: Study on rutile TiO 2 (100) single crystal substrate)
Using a commercially available rutile TiO 2 (100) single crystal substrate, HF treatment and annealing treatment were performed in the same manner as in Example 1 to form a surface having a step-terrace structure. FIG. 16 shows an AFM image of the surface of the rutile TiO 2 (100) single crystal substrate obtained in Experimental Example 7. As shown in FIG. 16, the rutile TiO 2 (100) single crystal substrate obtained in Experimental Example 7 is also formed with a good step-terrace structure.

ステップ−テラス構造を形成したルチル型TiO(100)単結晶基板上に、実施例1と同様にマスクを使用した真空蒸着で、膜厚20nmのソース電極およびドレイン電極を形成させた。その後、KrFエキシマレーザ、2J/cm、4Hz、100000パルスのPLDを適用し、堆積速度を0.0048nm/パルスの条件下、膜厚が、480nmのLaAlO絶縁層を堆積させた。堆積したLaAlO絶縁層上にマスク法を使用してゲート電極を形成して逆スタガ型電界効果トランジスタを作成した。A source electrode and a drain electrode having a thickness of 20 nm were formed on a rutile TiO 2 (100) single crystal substrate having a step-terrace structure by vacuum deposition using a mask in the same manner as in Example 1. Thereafter, a KrF excimer laser, 2 J / cm 2 , 4 Hz, 100,000 pulses of PLD were applied, and a LaAlO 3 insulating layer having a thickness of 480 nm was deposited under the condition of a deposition rate of 0.0048 nm / pulse. A gate electrode was formed on the deposited LaAlO 3 insulating layer using a mask method to produce an inverted staggered field effect transistor.

図17には、実験例7で得られた電界効果トランジスタの特性を示す。図17(a)は、Vd(V)を横軸とし、それぞれIds(×10−6A)(左側目盛り)およびVd(V)(右側目盛り)をプロットしたグラフである。また、図17(b)は、結晶軸[010]または[001]に沿った方向にチャネルを形成した場合の移動度示す。図17(a)に示すように、ルチル型TiOを使用した場合には、on/off比は、10程度であり、移動度が、約0.06cm/Vsであり、半導体特性を与えることが見出された。FIG. 17 shows the characteristics of the field effect transistor obtained in Experimental Example 7. FIG. 17A is a graph plotting Ids (× 10 −6 A) (left scale) and Vd (V) (right scale) with Vd (V) as the horizontal axis. FIG. 17B shows mobility when a channel is formed in a direction along the crystal axis [010] or [001]. As shown in FIG. 17A, when rutile TiO 2 is used, the on / off ratio is about 10 and the mobility is about 0.06 cm 2 / Vs, giving semiconductor characteristics. It was found.

また、チャネルの形成方向を、ルチル型TiOの結晶軸[010]および[001]に平行となるように変えて電界効果トランジスタを製造し、各電界効果トランジスタの移動度を測定した。その結果を図17(b)に示す。図17(b)に示されるように、各電界効果トランジスタのチャネル移動度は、明確な異方性を示すことが見出され、半導体特性が発現していることが示された。In addition, field effect transistors were manufactured by changing the channel formation direction to be parallel to the rutile TiO 2 crystal axes [010] and [001], and the mobility of each field effect transistor was measured. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 17B, the channel mobility of each field effect transistor was found to exhibit a clear anisotropy, indicating that semiconductor characteristics were developed.

(実験例8:ルチル型TiO(101)単結晶基板についての検討)
実験例7と同様の検討を、単結晶基板としてルチル型TiO(101)を使用して行った。その結果を、図18に示す。図18(a)は、Vd(V)を横軸とし、それぞれIds(×10−6A)(左側目盛り)およびVd(V)(右側目盛り)をプロットしたグラフである。また、図18(b)は、結晶軸[010]または[−101]に沿った方向にチャネルを形成した場合の移動度を示す。図18(a)に示すように、ルチル型TIOをチャネルとして使用した場合、on/off特性は、10以上と良好な結果が得られた。一方、移動度は、図17に示すルチル型TIO(100)よりも低く、約0.01cm/Vs程度の値であった。また、図18(b)に示すように結晶面の方向についてのチャネル方向の移動度には大きな相違は観測されなかった。この理由は、モビリティの絶対値が小さいためと考えられる。
(Experimental example 8: Study on rutile TiO 2 (101) single crystal substrate)
The same examination as in Experimental Example 7 was performed using rutile TiO 2 (101) as a single crystal substrate. The result is shown in FIG. FIG. 18A is a graph plotting Ids (× 10 −6 A) (left scale) and Vd (V) (right scale) with Vd (V) as the horizontal axis. FIG. 18B shows the mobility when a channel is formed in the direction along the crystal axis [010] or [−101]. As shown in FIG. 18A, when rutile TIO 2 was used as a channel, an on / off characteristic of 10 2 or more was obtained. On the other hand, the mobility was lower than the rutile TIO 2 (100) shown in FIG. 17, and was a value of about 0.01 cm 2 / Vs. Further, as shown in FIG. 18B, no significant difference was observed in the mobility in the channel direction with respect to the crystal plane direction. The reason is considered that the absolute value of mobility is small.

(実験例9:酸素分圧変調成膜の検討)
アナターゼ型TiO薄膜をチャネルとして使用する電界効果トランジスタを下記の通りに製造した。
(Experimental example 9: Examination of oxygen partial pressure modulation film formation)
A field effect transistor using an anatase TiO 2 thin film as a channel was manufactured as follows.

<基板>
LaAlO単結晶基板(001)
<アナターゼ型TiO(001)>
堆積温度Ts:650℃、
酸素分圧PO:0.133Pa(1×10−3Torr、アニール時、
5min)/1.33×10−4Pa(1×10−6To
rr、堆積時、3min):
酸素分圧変調成膜、堆積/アニールを1サイクルとし
て、合計20サイクル
レーザ条件:KrFエキシマレーザ、1.5J/c
、1Hz、6000パルス、
膜厚:20nm、
HF処理:実験例1と同一、
成膜後アニール:酸素圧=101.325kPa、700℃、2時間
<Board>
LaAlO 3 single crystal substrate (001)
<Anatase TiO 2 (001)>
Deposition temperature Ts: 650 ° C.
Oxygen partial pressure PO 2 : 0.133 Pa (1 × 10 −3 Torr, during annealing,
5 min) /1.33×10 −4 Pa (1 × 10 −6 To
rr, during deposition, 3 min):
Oxygen partial pressure modulation film formation, deposition / annealing is one cycle
Total 20 cycles
Laser conditions: KrF excimer laser, 1.5 J / c
m 2 , 1 Hz, 6000 pulses,
Film thickness: 20 nm
HF treatment: same as Experimental Example 1,
Annealing after film formation: oxygen pressure = 101.325 kPa, 700 ° C., 2 hours

図19に、実験例9で使用した酸素分圧変調成膜のタイムチャートおよび成膜速度の条件を示す。図19に示される堆積期間の間に、TiO膜は、1nm(約0.333nm/minの堆積速度で成長した。FIG. 19 shows a time chart of oxygen partial pressure modulation film formation used in Experimental Example 9 and conditions of film formation speed. During the deposition period shown in FIG. 19, the TiO 2 film was grown at a deposition rate of 1 nm (about 0.333 nm / min).

また、図20には、酸素分圧変調成膜により得られたアナターゼ型TiO(100)の反射高速電子線回折(RHEED)像(a)および表面のAFM像(b)を示す。図20(a)に示されるように、製造されたTiO膜は、アナターゼ型TiO(001)特有の4倍周期の回折像を明確に示していた。また、AFMによる表面観察の結果、図20(b)に示すように、ステップ−テラス構造を有する、超平滑な超平滑な単結晶性のアナターゼ(001)薄膜が得られていることがわかった。FIG. 20 shows a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) image (a) and an AFM image (b) of the surface of anatase TiO 2 (100) obtained by oxygen partial pressure modulation film formation. As shown in FIG. 20 (a), the manufactured TiO 2 film clearly showed a diffraction pattern having a fourfold period peculiar to anatase TiO 2 (001). Further, as a result of surface observation by AFM, as shown in FIG. 20B, it was found that an ultra-smooth and ultra-smooth single crystal anatase (001) thin film having a step-terrace structure was obtained. .

<電界効果トランジスタ>
上記アナターゼ型TiO(001)単結晶膜上にマスク法を使用して15nmのAl膜を堆積させ、ソース電極およびドレイン電極を製造した。形成したソース電極およびドレイン電極上に、下記条件でLaAlO/MgOのゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層状に15nmのゲート電極をマスク法を使用して形成した。
レーザ条件:KrFエキシマレーザ、2J/cm
堆積温度=室温、
酸素分圧=1.33Pa、
MgO:10Hz、10000パルス、
LaAlO:15Hz、200000パルス、
ゲート絶縁層厚:600nm、
<Field effect transistor>
A 15 nm Al film was deposited on the anatase TiO 2 (001) single crystal film by using a mask method to manufacture a source electrode and a drain electrode. A LaAlO 3 / MgO gate insulating layer was formed on the formed source electrode and drain electrode under the following conditions, and a 15 nm gate electrode was formed in a gate insulating layer using a mask method.
Laser conditions: KrF excimer laser, 2 J / cm 2 ,
Deposition temperature = room temperature
Oxygen partial pressure = 1.33 Pa,
MgO: 10 Hz, 10,000 pulses,
LaAlO 3 : 15 Hz, 200000 pulses,
Gate insulating layer thickness: 600 nm,

<電界効果トランジスタの特性>
製造した電界効果トランジスタの特性を、実験例1と同様にして測定した。その結果を図21に示す。図21(a)が、Ids−Vg特性であり、図21(b)がIds−Vgs特性であり、図21(c)がIds−Vgs特性を示す。図21に示されるように、製造された電界効果トランジスタは、ノーマリオフで、10を超える良好なon/off特性を示し、また、その移動度は、0.37cm/Vsであった。すなわち、アナターゼ型TiO(001)単結晶膜を、異なる酸素分圧下で間歇的にアニールすることにより、アナターゼ型TiO(001)単結晶膜のチャネル特性を向上させることが可能であることが見出された。この理由は、成膜時の酸素分圧を間歇的に変調することにより、結晶性を高め、かつ酸素欠損の少ないTiO単結晶膜が製造できたためと考えられる。
<Characteristics of field effect transistor>
The characteristics of the manufactured field effect transistor were measured in the same manner as in Experimental Example 1. The result is shown in FIG. FIG. 21A shows the Ids-Vgs characteristic, FIG. 21B shows the Ids-Vgs characteristic, and FIG. 21C shows the Ids-Vgs characteristic. As shown in FIG. 21, the manufactured field-effect transistor was normally off and showed a good on / off characteristic exceeding 10 5 , and its mobility was 0.37 cm 2 / Vs. That is, the anatase type TiO 2 (001) single crystal film, by intermittently annealed at different oxygen partial pressure, it is possible to improve the channel characteristics of anatase TiO 2 (001) single crystal film It was found. The reason is considered to be that a TiO 2 single crystal film with improved crystallinity and few oxygen vacancies could be manufactured by intermittently modulating the oxygen partial pressure during film formation.

(実験例10:比較例)
研磨処理のみのルチル型TiO単結晶基板(AFMでステップ構造が観察されない基板)を用いて実験例1と同様にして電界効果トランジスタを製造し、評価を行ったところ、研磨処理のみのデバイスではトランジスタ動作が確認できなかった。
(Experimental example 10: Comparative example)
A field effect transistor was manufactured and evaluated in the same manner as in Experimental Example 1 using a rutile-type TiO 2 single crystal substrate (a substrate in which a step structure was not observed by AFM) that was polished only. Transistor operation could not be confirmed.

以上説明したように、TiOは、表面処理を行うことにより電界効果トランジスタの活性層として充分に機能することが示された。また、実験例で説明したように、まったく表面処置を行わないTiO基板では、トランジスタ効果が観測できなかったことから、TiOは、表面処理により特性を変化させ、ゲート絶縁層に応じてノーマリオンまたはノーマリオフの両方の特性を与えることが示された。また、TiO2膜の成膜時に酸素欠損を低減させるように酸素分圧を間歇的に変調させる成膜方法を採用することにより、TiO膜をチャネルとして使用する半導体装置の特性を改善することができることが示された。As described above, it has been shown that TiO 2 functions sufficiently as an active layer of a field effect transistor by performing a surface treatment. In addition, as described in the experimental example, since the transistor effect could not be observed in the TiO 2 substrate that was not subjected to the surface treatment at all, TiO 2 changed its characteristics by the surface treatment, and no response was obtained depending on the gate insulating layer. It has been shown to give both mullion or normally-off characteristics. Further, by adopting a film forming method in which the oxygen partial pressure is intermittently modulated so as to reduce oxygen vacancies when forming the TiO 2 film, the characteristics of the semiconductor device using the TiO 2 film as a channel can be improved. It was shown that it can be done.

図22には、実験例1〜実験例9について得られた結果をまとめて示す。図22に示されるように、本発明によりTiOを活性層として使用する電界効果トランジスタは、良好な電界効果駆動が可能とでき、また、アナターゼ型TiO膜をチャネルとして使用する場合には、概ね10以上のオン/オフ特性を示した。また、移動度については、アナターゼ型TiOでは、約1cm/Vsの値が得られていることが示された。また、オフ電流は、絶縁膜の種類に応じても変化するが、ノーマリオフ特性を与える値から、ノーマリオンの特性を与える値まで絶縁膜の特性に応じて変化することが見出された。なお、本発明は、正スタガ型および逆スタガ型のデバイス構造のいずれにでも適用することができる。In FIG. 22, the result obtained about Experimental example 1-Experimental example 9 is shown collectively. As shown in FIG. 22, the field effect transistor using TiO 2 as an active layer according to the present invention can be driven with good field effect, and when an anatase TiO 2 film is used as a channel, Approximately 10 or more on / off characteristics were exhibited. As for mobility, it was shown that a value of about 1 cm 2 / Vs was obtained with anatase TiO 2 . Further, it has been found that the off-current varies depending on the type of the insulating film, but varies depending on the characteristics of the insulating film from a value that provides normally-off characteristics to a value that provides normally-on characteristics. Note that the present invention can be applied to both the forward stagger type and the reverse stagger type device structures.

上述したように、本発明は、TiOを使用した電界効果型の半導体装置およびその製造方法を提供でき、また遮光膜を必要とせずに電界効果特性を得ることが期待できるので、特に大面積で光学特性の要求される用途に、広く適用可能な新規な構造の半導体装置を提供することができると考えられる。As described above, the present invention can provide a field effect semiconductor device using TiO 2 and a method for manufacturing the same, and can expect to obtain field effect characteristics without the need for a light shielding film. Therefore, it is considered that a semiconductor device having a novel structure that can be widely applied to applications requiring optical characteristics can be provided.

本発明の半導体装置の第1の実施の形態の構造を示した図。The figure which showed the structure of 1st Embodiment of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の第2の実施の形態を示した図。The figure which showed 2nd Embodiment of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の第3の実施の形態を示した図。The figure which showed 3rd Embodiment of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を示した図。The figure which showed 1st Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を示した図。The figure which showed 2nd Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造方法の第3の実施の形態を示した図。The figure which showed 3rd Embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device of this invention. TiO単結晶基板の表面のAFM像を示した図。It shows an AFM image of the surface of the TiO 2 single crystal substrate. 本発明により得られた電界効果トランジスタの室温での特性を示した図。The figure which showed the characteristic at room temperature of the field effect transistor obtained by this invention. 本発明により得られたステップ−テラス状の形状を含む基板のAFM像を示した図。The figure which showed the AFM image of the board | substrate containing the step-terrace shape obtained by this invention. 本発明のより得られた電界効果トランジスタの室温での特性を示した図。The figure which showed the characteristic in the room temperature of the field effect transistor obtained by this invention. 各チャネル方向についての移動度を、複製形成した電界効果トランジスタについて得た結果を示した図。The figure which showed the result obtained about the field effect transistor which formed the mobility about each channel direction in duplicate. 本発明により得られた電界効果トランジスタの特性を示した図。The figure which showed the characteristic of the field effect transistor obtained by this invention. 製造したTiO(アナターゼ:001)膜のAFM像を示した図。TiO 2 prepared (anatase: 001) shows an AFM image of the film. TiOの堆積膜(アナターゼ)を半導体層として使用して得られた電界効果トランジスタの特性を示した図。It shows the characteristics of the field effect transistor obtained using TiO 2 deposition film (anatase) as the semiconductor layer. アナターゼ型TiO膜を使用し、ゲート絶縁膜としてMgOとLaAlOの積層膜を使用した電界効果トランジスタの特性を示した図。Using the anatase type TiO 2 film, showing characteristics of a field effect transistor using the laminated film of MgO and LaAlO 3 as a gate insulating film FIG. 実験例7で得られたルチル型TiO(100)単結晶基板の表面のAFM像を示した図。It shows an AFM image of the surface of the rutile TiO 2 (100) single crystal substrate obtained in Experimental Example 7. 実験例7で得られた電界効果トランジスタの特性を示した図。The figure which showed the characteristic of the field effect transistor obtained in Experimental example 7. FIG. 単結晶基板としてルチル型TiO(101)を使用して製造された電界効果トランジスタの特性を示した図。Shows the characteristics of the field effect transistors fabricated using the rutile TiO 2 (101) as the single crystal substrate. 本発明の酸素分圧変調成膜のタイムチャートおよび成膜速度の条件を示した図。The figure which showed the time chart of the oxygen partial pressure modulation film-forming of this invention, and the conditions of film-forming speed | rate. 酸素分圧変調成膜により得られたアナターゼ型TiO(001)の反射高速電子線回折(RHEED)像および表面のAFM像を示した図。It shows an AFM image of the reflection high energy electron diffraction (RHEED) images and the surface of the oxygen partial pressure modulation formed by obtained anatase type TiO 2 (001). 酸素分圧変調成膜により製造した得られたアナターゼ型TiO(001)膜をチャネルとして使用した電界効果トランジスタの特性を示した図。Shows the characteristics of the field effect transistor using the oxygen partial pressure modulation anatase resulting was prepared by depositing TiO 2 (001) film as a channel. 本発明により得られた半導体装置の特性を示した図。The figure which showed the characteristic of the semiconductor device obtained by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…半導体装置、12…基板、14…ソース電極、16…ドレイン電極、18、18a、18b…ゲート絶縁膜、20…ゲート電極、22…TiO
10 ... semiconductor device, 12 ... substrate, 14 ... Source electrode, 16 ... drain electrode, 18, 18a, 18b ... gate insulating film, 20 ... gate electrode, 22 ... TiO 2 film

Claims (12)

TiOを活性層として含む電界効果型の半導体装置であって、前記半導体装置は、
ゲート電極と、
チャネルを形成するTiO層と、
前記TiO層に電気的に接続された、ソース電極およびドレイン電極と、
前記ゲート電極と前記TiO層との間に形成された絶縁膜と
を含む半導体装置。
A field effect semiconductor device containing TiO 2 as an active layer, wherein the semiconductor device is
A gate electrode;
A TiO 2 layer forming a channel;
A source electrode and a drain electrode electrically connected to the TiO 2 layer;
A semiconductor device including an insulating film formed between the gate electrode and the TiO 2 layer.
前記TiO層は、ステップ−テラス構造を有するルチルまたはアナターゼ構造、または超平滑な表面を有するルチルまたはアナターゼ構造を含む、請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the TiO 2 layer includes a rutile or anatase structure having a step-terrace structure, or a rutile or anatase structure having an ultra-smooth surface. 前記TiO層は、TiOの気相堆積膜である、請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the TiO 2 layer is a vapor deposition film of TiO 2 . 前記ゲート絶縁膜は、酸素含有比の異なる複数の酸化物層から形成され、酸素含有比の低い酸化物層が、前記TiO層に隣接して形成される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。The gate insulating film is formed from a plurality of oxide layers having different oxygen content ratios, and an oxide layer having a low oxygen content ratio is formed adjacent to the TiO 2 layer. 2. A semiconductor device according to item 1. TiOを活性層として含む電界効果型の半導体装置の製造方法であって、
TiOを含む半導体層に表面処理を施す工程と、
前記表面処理された前記半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記半導体層上に絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と
を含む半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a field effect semiconductor device including TiO 2 as an active layer,
Applying a surface treatment to the semiconductor layer containing TiO 2 ;
Forming a source electrode and a drain electrode electrically connected to the surface-treated semiconductor layer;
Forming an insulating film on the semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記絶縁膜は、酸素含有比の異なる複数の酸化物層を含み、前記絶縁膜を成膜する工程は、酸素含有比の低い酸化物層を前記半導体層に接して形成する工程を含む、請求項5に記載の製造方法。   The insulating film includes a plurality of oxide layers having different oxygen content ratios, and the step of forming the insulating film includes a step of forming an oxide layer having a low oxygen content ratio in contact with the semiconductor layer. Item 6. The manufacturing method according to Item 5. 前記表面処理を施す工程は、前記半導体層に、ステップ−テラス構造を与える工程を含む、請求項5または6に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 5, wherein the surface treatment includes a step of providing a step-terrace structure to the semiconductor layer. TiOを活性層として含む電界効果型の半導体装置の製造方法であって、
基板上にTiOを含む半導体層を堆積させる工程と、
前記半導体層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
前記半導体層上に絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と
を含む半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a field effect semiconductor device including TiO 2 as an active layer,
Depositing a semiconductor layer containing TiO 2 on the substrate;
Forming a source electrode and a drain electrode electrically connected to the semiconductor layer;
Forming an insulating film on the semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記絶縁膜は、酸素含有比の異なる複数の酸化物層を含み、前記絶縁膜を成膜する工程は、酸素含有比の低い酸化物層を前記半導体層に接して形成する工程を含む、請求項8に記載の製造方法。   The insulating film includes a plurality of oxide layers having different oxygen content ratios, and the step of forming the insulating film includes a step of forming an oxide layer having a low oxygen content ratio in contact with the semiconductor layer. Item 9. The manufacturing method according to Item 8. TiOを活性層として含む電界効果型の半導体装置の製造方法であって、
誘電体基板上に前記ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と
前記ソース電極および前記ドレイン電極に電気的に接続したTiOを含む半導体層を成膜する工程と、
前記半導体層に接してゲート絶縁膜を成膜する工程と、
前記絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と
を含む半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a field effect semiconductor device including TiO 2 as an active layer,
Forming a source electrode and a drain electrode on a dielectric substrate; forming a semiconductor layer containing TiO 2 electrically connected to the source electrode and the drain electrode;
Forming a gate insulating film in contact with the semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記TiOを含む半導体層を成膜する工程は、間歇的に酸素分圧を変化させる工程を含む、請求項8〜10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the step of forming the semiconductor layer containing TiO 2 includes a step of intermittently changing an oxygen partial pressure. 前記間歇的に酸素分圧を変化させる工程内の酸素分圧が低い条件下でTiOの堆積を行う工程と、前記間歇的に酸素分圧を変化させる工程内の酸素分圧が高い条件下で堆積したTiOをアニールする工程とを含む、請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
The step of depositing TiO 2 under the condition of low oxygen partial pressure in the step of intermittently changing the oxygen partial pressure, and the condition of high oxygen partial pressure in the step of intermittently changing the oxygen partial pressure The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, further comprising: annealing the TiO 2 deposited in step 1.
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